操作系统03-内存管理

操作系统

第三章: 内存管理

存储器的层次结构

CPU寄存器

• 寄存器

主存

• 高速缓存

• 主存储器

• 磁盘缓存

辅存

• 固定磁盘
• 可移动存储介质

装入和链接

• 装入

• 绝对装入

  • 目标模块采用绝对地址
    • 逻辑地址和实际地址完全相同
    • 适用于单道环境

• 可重定位装入

  • 在程序装入的时候装入
    • 存在地址变换，但是是直接找的当前合适的内存位置
    • 程序需要连续空间
    • 不存在在程序执行的过程中在内存移动

• 动态运行时装入

  • 地址转换在程序需要真正执行时才进行
    • 可以在内存之中移动
    • 可以实现虚拟存储

• 链接

• 静态链接

  • 在程序运行之前，将各目标模块以及它们需要的库函数链接成一个完整的转入模块

• 装入时动态链接

  • 在装入的时候边装入边链接
    • 便于修改和更新
    • 便于实现目标模块的共享

• 运行时动态链接

  • 当程序需要的时候采取链接
    • 节约内存空间、加快装入过程

连续分配方式

• 单一连续分配

• 固定分区分配

  • 分区使用表

  • 内存利用与回收

  • 缺点

    • 规定了分区大小，大程序无法装入
    • 限制了活跃进程的最大数
    • 碎片过多
    • 扩充和贡献困难

• 动态分区分配

  • 算法

    • 首次适应算法

• 每一次从头开始 导致空闲区间分配不均

• 循环首次适应算法
  - 从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找

  • 可能会有小的程序占据大的空闲分区，会缺乏大的空闲分区

    • 最佳适应算法

• 以分区的容量大小 寻找第一个符合要求的
  - 会导致更多的小空间

    - **最坏适应算法**
    - 和上面的算法让容量递减
  

  • 会导致大的空闲空间不足

• 管理空闲分区

    - 空闲分区表
  

  • 空闲分区链

• 分区回收

    - 要回收的分区上或下存在空闲分区，则合并
  

  • 上下都有是则分区数减一，将下面的空闲分区从空闲表或链表中删掉

    • 上或者下有（只有一个）则不变

  • 不存在则自己新建为新 空闲分区数加一

  • 分区分配

    • 存在一个最小不可再分割的大小

  • 没有程序数目和大小的限制但是会产生过多的碎片

• 动态重定位分配

  • 重定位寄存器
  • 地址变换机构
  • 目标程序

• 伙伴系统

  • 伙伴算法
  • 内存分配
  • 内存回收
  • 在进程释放存储空间时，寻找伙伴合并，
    可以做到类似递归进行，知道找不到可以合并的伙伴为止

• 交换

  • 以进程为单位
  • 以页或段为单位

基本分页存储管理方式

• 存储空间

  • 主存中为块
  • 进程的逻辑结构中为页

• 页面与页表

  • 页表存放

    • 页表
    • 为记录页面在内存中对应的物理块
    • 

  • 页表

  • 逻辑地址构成

    • 页号

      • 即在第几页

    • 页内位移

      • 即距离页面里面第一个地址的距离
      • 总的大小为页面大小，如1KB的页面，会有2的10次方的地址

    • 逻辑地址从0开始

• 为解决连续分配方式存在的碎片

• 地址变换机构

  • 分页逻辑地址

    • 页号和页内位移
      二进制：
      逻辑地址大小2m 页面大小2n
      则前m-n位表示页号 后n位表示页内位移
      十进制：
      记A为逻辑地址，L为页面大小，则：
      页号：P=int(A/L)； 页内地址：d=A mod L

  • 映射

    • 页号得到物理地址的基地址

      • 基地址：页号对应的物理块号乘以页面大小即（块大小）

    • 基地址加上页内位移即实际物理地址

  • 快表

    • 设置的一个认为常用的页面集合

      • 因为：访问页表要访问2次以上主存

    • 局部性原理：所有的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域

    • 增设一个具有并行查找能力的高速缓冲存储器

    • 存储频繁访问的页表项

  • 两级和多级页表

    • 每多一次页表会多一次对主存的访问

    • 将原来一张大的页表分为多个页表

    • 将地址组成部分的页表号分为多个部分

      • 每多一个部分表示多出一个页表对其进行记录，
        就相当于形成了多表结构

    • 实现可非连续存储页表

    • 级别增多会导致访问次数的增多

• 信息共享

• 可重入代码

基本分段存储管理方式

• 逻辑地址结构

• 段表

• 与分页的区别

• 信息共享

• 大小

  • 逻辑地址结构

    • 段号

      • 通过段号可以知道最多允许有多少分段

    • 段内地址

      • 可以知道每段的最大长度
      • 不定

段页式存储管理方式

• 逻辑地址结构

• 先分段再分段

  • 所以会先访问段表再访问页表
  • 最后访问信息

• 段表和页表

程序局部性原理

局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

• 程序运行时，无需全部装入内存，装载部分即可
• 如果访问页不在内存，则发出缺页中断，发起页面置换
• 从用户层面看，程序拥有很大的空间，即是虚拟内存

虚拟存储器

• 原理

  • 概念

    • 在一开始放入部分内存就开始执行
    • 请求调入和置换
    • 时间上表现为一个对象会在一个较短时间内执行
    • 空间上表现为当前执行的指令在一个较小的范围

  • 请求调入

    • 所访问的信息不在内存的时候

  • 置换

    • 操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存

  • 局部性原理

    • 概念

      • 局部性原理是指程序在执行过程中一个较短时间内
        ，程序所执行的指令地址和操作数地址分别局限于一定区域内

    • 程序中少量分支和过程调用大都是顺序执行

    • 过程调用深度有限，

    • 存在着许多循环

    • 数组等数据结构

    • 体现

      • 时间局部性
      • 空间局部性

• 物质基础

  • 相当数量的外存
  • 一定容量的内存
  • 地址变换机构

• 内存分配和分配算法

  • 进程需要的最小物理块数

    • 执行一条指令所涉及的页面数确定

    • 单地址指令

      • 直接寻址
      • 间接寻址
      • 功能较强时

  • 进程的物理块数是固定还是可变

    • 固定分配局部置换
    • 可变分配全局置换
    • 可变分配局部置换

  • 按什么原则为进程分配物理块数

    • 平均分配算法
    • 按比例分配算法
    • 按优先级分配算法
    • 实现方案

  • 局部范围内

    • 页面置换算法

      • 最佳置换算法

        • 将来最长时间不会使用

        • 

        • 仅具有理论意义

    • 先进先出算法

        - 选择调入主存时间最长的页面予以淘汰
      

    • 最近最久未使用置换算法

      • 选择最近一段时间内最长时间没有被访问过的页面予以淘汰

        • 实现

        • 基于寄存器的方法

          • 配置一个n位寄存器，在进程访问页面的时候最左置1
            • 每过一段时间则计数器右移1位
          • 最小数值的寄存器即最近最久未使用的页面

        • 基于栈的方法

            - 栈顶存放最近使用过的页面
          

      • 时钟置换算法

      • 将页面设置成循环队列

        • 首次调入内存，置访问位置1
        • 被访问置访问位置1

      • 缺页中断的时候

        • 访问为0则淘汰

          • 不为0则置为0
          • 接上次判定界面位置

        • 改进：访问位和修改位分开考虑

        • 有四种情况

          • 先寻找访问位和修改位都为0的页面淘汰
          • 没有则再寻找访问页为0，修改位为1的淘汰，并将访问位设置为0
          • 没有重复一操作

      • 其他置换算法

• 性能分析

  • 有效访问时间

    • 访问存储器所需时间的平均值
    • 
    • 在快表中，则需要访问一次主存

  • 不在内存，则要缺页中断时间

    • 缺页中断时间

      • 缺页中断时间
      • 界面传送时间
      • 进程重新执行时间
      • 仅考虑页面传送时间

    • 影响缺页率的因素

      • 分配给进程的物理块数
      • 页面本身大小
      • 程序编制方法
      • 页面置换算法

  • 抖动现象

    - 全局抖动
    - 局部抖动
    

    • 产生原因

        - 进程分配物理块太少
        - 置换算法选择不当
      

      • 全局置换使抖动传播

    • 预防与解除

        - 采用局部置换策略
        - 增加分配给相应进程的物理块
      

      • 挂起进程

  • 页面大小的选择

    - 有个最佳界面大小可以选择
    - 每个页表项需e个字节
    - 内存大小为m
    - 进程的平均长度为s
    - 计算开销  碎片项和页表项的总和（pm/2s + me/p）求最小值
    - p=2es的算术平方根
    

• 实现方法

  • 请求分页存储管理方式

    • 调页策略

      • 何时

        • 预调页策略
        • 请求调页策略

      • 何处

        • 文件区

          • 存放文件
          • 离散分配

        • 对换区

          • 存放对换页面
          • 连续分配
          • 磁盘I/O较高

      • 情况

        • 对换区空间足够

        • 对换区空间不够

          • 将进程中可能被修改的调入对换区

        • UNIX方式

          • 全部存放在文件区
          • 运行过调出的放于对换区
          • 存在页面共享

    • 支持机构

      • 页表

        • 扩充的页表

      • 缺页中断机构

        • 缺页中断
        • 中断过程

      • 地址变换机构

        • 类似于分页存储管理
        • 进行缺页中断处理

  • 请求分段存储管理方式

    • 请求调段

    • 分段置换

    • 支持结构

      • 段表

      • 缺段中断机构

        • 类似缺页中断

        • 内存管理

        • 段的置换

          • 有空间则直接调入
          • 没有就检查空闲区之后是否满足
          • 再不符合则淘汰若干段

      • 地址变换机构

        • 动态地址变换

    • 分段共享

      • 实现

        • 为了实现分段共享，可在系统中设置一张共享段表，所有共享分段都在其中占有一表项
        • 增加共享进程计数
        • 存取控制字段
        • 
        • 共享段在不同进程中有不同的段号

    • 分配

      • 对于第一个请求使用该段的进程，系统为该共享段分配一个内存区，在将共享段调入
      • 同时将该区的始地址填入请求进程的段表
      • 在共享段表中增加一项，填写有关数据将count置1
      • 填入相关的数据结构

    • 回收

      • 释放该进程段，将count减一
      • 如果变为0则需要系统回收共享段的物理内存及有关表项

  • 分段保护

    • 越界保护

        - 用段表长度与逻辑地址中的段号比较
      

      • 段长与逻辑地址中的段内位移比较

    • 存取方式检查

      • 本段的访问方式

    • 环保护结构

        - 低编号环具有高优先权
      

      • 原则

          - 一个程序可以访问在相同的环或者较低环中的数据
          - 一个程序可以调用驻留在相同环或较高环中的服务
        

• 特征

  • 多次性
  • 对换性
  • 虚拟性